郝應(yīng)龍,李崇博,王拓,安永剛

（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，新疆 烏魯木齊830000）

土地利用變化是研究一個區(qū)域內(nèi)土地資源利用方式的直接反映，已成為全球研究熱點之一[1-2]。目前，我國第三次土地調(diào)查，對土地利用動態(tài)變化的研究在總結(jié)過去土地利用特點基礎(chǔ)上，預(yù)測未來土地利用現(xiàn)狀，對改進土地利用結(jié)構(gòu)和規(guī)劃等具理論和實踐意義。目前土地利用變化模擬預(yù)測研究中最常用的方法主要有側(cè)重時間維度分析的Markov模型和側(cè)重空間維度分析的CA模型等。CA-Markov模型綜合了CA模型模擬空間變化能力和Markov模型時間維度分析優(yōu)勢，近年來被廣泛用于城市擴張、土地利用變化等方面的模擬研究[3-6]。如劉淑燕等、黃曉磊等、雷浩川等、李志明等分別利用CA-Markov模型對黃土丘陵區(qū)、天津市、青海湖流域、哈爾濱市土地利用空間格局進行了動態(tài)模擬和預(yù)測[3-6]，均取得良好效果。

本文以1989年、2016年2期烏魯木齊地區(qū)土地利用變化數(shù)據(jù)，運用GIS分析功能，基于CA-Markov預(yù)測模型，對烏魯木齊地區(qū)土地利用類型變化和模擬進行研究，預(yù)測烏魯木齊地區(qū)未來土地利用類型的變化，對該地區(qū)土地利用總體規(guī)劃制定、管理具重要意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處天山北麓、準噶爾盆地南緣，主要包括烏魯木齊市及周邊地區(qū)，包含天山區(qū)、沙依巴克區(qū)、新市區(qū)、水磨溝區(qū)、頭屯河區(qū)、米東區(qū)、達坂城區(qū)、烏魯木齊縣的一部分。地理坐標：東經(jīng)87°15′35″～87°49′19″，北緯43°34′03″～44°11′15″。研究區(qū)地勢起伏大，山地面積大，總體地勢南部、東部高，中部、北部低。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和改革開放的不斷深入，烏魯木齊正逐步發(fā)展成一個開放性的現(xiàn)代化城市。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本次研究選取1989年8月18日Landsat5 TM 30 m和2016年9月21日Landsat8 OLI 15m、2016年8月Spot5 2.5 m分辨率遙感影像作為土地利用變化信息提取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。按“數(shù)據(jù)預(yù)處理-人工目視解譯檢查修正”的操作步驟進行解譯。解譯過程按照最新國家統(tǒng)一標準《土地利用現(xiàn)狀分類標準》(GBT 21010-2007)，將研究區(qū)土地利用類型分為8個一級類：耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)及工礦用地、交通運輸?shù)?、水域及水利設(shè)施用地、其他土地。

2 研究方法

2.1 CA模型

元胞自動機（CA）模型是一種時間、空間、狀態(tài)都離散的動力系統(tǒng)，其模型可用下式表示[7]：

式中：P為元胞有限、離散的狀態(tài)集合；T、T+1為不同時刻；N為元胞的鄰域；f為局部空間的元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則。

2.2 Markov模型

馬爾柯夫（Markov）模型是基于Markov過程理論形成的預(yù)測事件發(fā)生概率的一種方法，常用于無后效性特征地理事件的預(yù)測[8]。土地利用變化研究中，土地利用類型動態(tài)變化具馬爾柯夫過程的性質(zhì)：①一定區(qū)域內(nèi)不同地物類型具相互轉(zhuǎn)化的可能；②各類地物之間轉(zhuǎn)化過程有一些難以用函數(shù)關(guān)系準確描述的事件。土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)換的比例及面積數(shù)量即為Markov模型中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，可用如下公式表示：

式中：Qij為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率舉證，可由下式表示

式中：n為土地利用類型。

2.3 CA-Markov預(yù)測模型

據(jù)CA模型和Markov模型特點，將二者相互結(jié)合，在土地利用柵格圖中，每一個像元就是一個元胞，每個元胞的土地利用類型即為元胞狀態(tài)[3]。具體預(yù)測過程如下：①計算土地轉(zhuǎn)移矩陣：采用5×5的元胞濾波器，CA循環(huán)次數(shù)取27（1989與2016的差值），將1989年和2016年土地利用遙感解譯數(shù)據(jù)進行疊置分析，利用Markov模型計算土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣和轉(zhuǎn)移概率矩陣，作為轉(zhuǎn)換規(guī)則；②建立適宜性圖集：選取DEM、社會經(jīng)濟因素（人口密度、GDP等）、水資源、距離因素等進行土地利用適宜性評價，建立適宜性圖集；③預(yù)測模擬：以1989年和2016年烏魯木齊地區(qū)土地利用類型變化為基礎(chǔ)，將模擬的2016年土地利用類型與2016年真實值比較，調(diào)整參數(shù)，檢驗?zāi)Ｐ?，然后?016年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對2043年土地利用類型進行預(yù)測。

2.4 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度可定量描述區(qū)域一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型變化速度，對比較土地利用變化區(qū)域差異和預(yù)測未來土地利用變化趨勢具有積極的作用[9]。計算表達式為：

式中：R為研究時段內(nèi)某一種土地利用類型變化率；Wa、Wb分別為研究期初和末某一種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時段長。

3 土地利用動態(tài)變化分析

3.1 土地利用類型面積變化

對1989年、2016年兩個時相的遙感解譯結(jié)果進行統(tǒng)計（圖1），得出1989—2016年烏魯木齊地區(qū)土地利用變化情況統(tǒng)計分析表（表1）。 從圖1，表1可看出，1989—2016年總體變化情況較穩(wěn)定，城鎮(zhèn)及工礦用地、交通運輸?shù)孛娣e有較明顯增加，增加量分別為267.10 km2、34.36 km2；耕地、園地、林地、草地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地等面積呈減少態(tài)勢，減少量分別為41.91 km2、6.80 km2、3.84 km2、231.08 km2、13.77 km2、4.06 km2。這意味著耕地、園地、林地、草地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地有向其他地表類型轉(zhuǎn)化趨勢。

從動態(tài)變化情況可看出，1989—2016年土地變化過程中，交通運輸?shù)啬曜兓首畲?，?.27%，城鎮(zhèn)及工礦用地次之，為3.17%，次為水域及水利設(shè)施用地、草地、園地、耕地、其他土地、林地，動態(tài)度分別為-0.93%、-0.90%、-0.49%、-0.34%、-0.23%、-0.14%。說明烏魯木齊地區(qū)土地利用變化與人類活動的影響密不可分。

3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移特征分析

為進一步了解烏魯木齊地區(qū)土地利用類型相互轉(zhuǎn)化過程。我們利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣定量表示1989年和2016年兩個時期不同土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)移關(guān)系，通過空間計算工具獲得1989—2016年各地類之間的互相轉(zhuǎn)化情況（表2）。

圖1 烏魯木齊地區(qū)土地利用遙感解譯圖Fig.1 The Remote sensing interpretation map of Land Use in Urumqi Region

表1 1989—2016年烏魯木齊市土地利用分類變化統(tǒng)計表Table 1 The classificcation change of land use in Urumqi Region,1989—2016

表2 1989-2016年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 The transfer matrix of land use in Urumqi Region,1989—2016 單位：/km2

由表2看出，除各地類不變面積外（不變面積由下劃線表示），各地類都發(fā)生了不同情況轉(zhuǎn)移，其中：①耕地。1989—2016年，由耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡惷娣e共62.17 km2，主要轉(zhuǎn)移成城鎮(zhèn)及工礦用地、交通運輸?shù)?，少部分轉(zhuǎn)移為草地、林地、水域及水利設(shè)施用地和其他土地。在此期間，由其他地類轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐拿娣e一共有20.26 km2，主要來源為草地、水域及水利設(shè)施用地和其他土地；②園地。1989—2016年，由園地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡惷娣e共7.02 km2，主要轉(zhuǎn)移成城鎮(zhèn)及工礦用地和交通運輸?shù)?，少部分轉(zhuǎn)移為林地、水域及水利設(shè)施用地和其他土地。在此期間，由其他地類轉(zhuǎn)變?yōu)閳@地的面積一共有0.22 km2，主要來源為草地和耕地；③林地。1989—2016年，由林地轉(zhuǎn)移為其他地類的面積一共有16.13 km2，主要轉(zhuǎn)移到城鎮(zhèn)及工礦用地和交通運輸?shù)兀挥善渌仡愞D(zhuǎn)為林地的面積一共有12.29 km2，主要轉(zhuǎn)入源為草地；④草地。1989—2016年，草地變化情況較廣泛，由草地轉(zhuǎn)移為其他地類面積達236.76 km2，主要轉(zhuǎn)移到耕地、林地、城鎮(zhèn)及工礦用地、交通運輸?shù)亍⑺蚣八O(shè)施用地和其他土地。由其他地類轉(zhuǎn)為草地面積為5.68 km2，主要轉(zhuǎn)入源為耕地、水域及水利設(shè)施用地和其他土地；⑤城鎮(zhèn)及工礦用地。1989—2016年，由城鎮(zhèn)及工礦用地轉(zhuǎn)為其他地類的變化較少，一共只有1.35 km2，分別有1.07 km2轉(zhuǎn)為交通運輸?shù)兀?.15 km2轉(zhuǎn)為耕地，0.11 km2轉(zhuǎn)為水域及水利設(shè)施用地。其他地類轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)及工礦用地轉(zhuǎn)入面積較大，達到268.45 km2，且轉(zhuǎn)入源廣泛，分別有48.83 km2的耕地、5.15 km2的園地、14.51 km2的林地、162.97 km2的草地、0.36 km2的交通運輸?shù)亍?1.92 km2的水域及水利設(shè)施用地、14.71 km2的其他土地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)及工礦用地；⑥交通運輸?shù)亍?989—2016年，由交通運輸?shù)剞D(zhuǎn)為其他地類的變化較少，只有0.17 km2轉(zhuǎn)為草地，0.36 km2轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)及工礦用地。由其他地類轉(zhuǎn)為交通運輸?shù)孛娣e較大，達到34.9 km2，主要來源為耕地、草地，少部分來源為園地、林地、城鎮(zhèn)及工礦用地、水域及水利設(shè)施用地和其他土地；⑦水域及水利設(shè)施用地。1989—2016年，由水域及水利設(shè)施用地轉(zhuǎn)移為其他地類的面積一共有31.58 km2，主要轉(zhuǎn)移成耕地、草地、城鎮(zhèn)及工礦用地、交通運輸?shù)睾推渌恋?，少部分轉(zhuǎn)移為林地。在此期間，由其他地類轉(zhuǎn)變?yōu)樗蚣八O(shè)施用地的面積一共有17.81 km2，主要來源為耕地、草地和其他土地，少部分來源于園地、城鎮(zhèn)及工礦用地；⑧其他用地。1989—2016年，由其他用地轉(zhuǎn)為其他地類的面積一共有20.31 km2，主要轉(zhuǎn)移到耕地、草地、城鎮(zhèn)及工礦用地、交通運輸?shù)睾退蚣八O(shè)施用地。其他地類轉(zhuǎn)為其他用地的面積一共有16.25 km2，主要轉(zhuǎn)入源為耕地、草地和水域及水利設(shè)施用地，少量為園地。

圖2 2043年烏魯木齊地區(qū)土地利用類型預(yù)測圖Fig.2 The Forecast map of Land Use Types in Urumqi Region in 2043（圖例同圖1）

表3 2016—2043年烏魯木齊地區(qū)土地利用分類變化統(tǒng)計表Table 3 The classificcation change of land use in Urumqi Region,2016-2043

4 基于CA-Markov模型的土地利用變化趨勢預(yù)測

4.1 CA-Markov模型預(yù)測精度檢驗

為檢驗CA-Markov模型預(yù)測土地利用變化的精確度，本文以1989年、2016年的土地利用變化數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，模擬2016年烏魯木齊地區(qū)的土地利用分類圖，并與真實值進行精度分析，其數(shù)量精度和空間精度均達到88%以上，符合精度標準，與實際較接近，可用該模型對未來烏魯木齊地區(qū)土地利用變化趨勢進行預(yù)測。

4.2 烏魯木齊地區(qū)2043年土地利用預(yù)測

運用通過精度驗證的CA-Markov模型對烏魯木齊地區(qū)2043年土地利用類型進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見圖2。對2043年的土地利用預(yù)測結(jié)果和2016年土地利用類型進行統(tǒng)計分析，得出2016—2043年烏魯木齊地區(qū)土地利用變化情況統(tǒng)計分析表（表3）。

從圖2和表3可以看出，2016—2043年，烏魯木齊地區(qū)土地利用變化明顯，城鎮(zhèn)及工礦用地和交通運輸?shù)孛娣e繼續(xù)增加，耕地及草地面積繼續(xù)縮小，但變化速率變緩?？梢?016—2043年間，烏魯木齊地區(qū)城市市化建設(shè)依舊迅速發(fā)展，采用CA-Markov模型預(yù)測的土地利用類型變化結(jié)果與烏魯木齊市城市規(guī)劃實行“南控北擴，東延西進”的空間發(fā)展規(guī)劃一致。同時也說明如政府不對土地利用進行管理和合理規(guī)劃，區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量將惡化。

5 結(jié)論

（1）本文運用CA-Markov模型對烏魯木齊地區(qū)土地利用類型變化模擬預(yù)測進行了嘗試，通過研究1989年到2016年的土地利用變化，預(yù)測了2043年烏魯木齊地區(qū)土地利用情況，結(jié)果表明，2016—2043年烏魯木齊地區(qū)土地利用變化依舊明顯，城鎮(zhèn)及工礦用地和交通運輸?shù)孛娣e繼續(xù)增加，耕地及草地面積繼續(xù)縮小，預(yù)測結(jié)果可為烏魯木齊地區(qū)土地資源的合理利用、管理、規(guī)劃及生態(tài)保護提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

（2）CA-Markov模型的預(yù)測結(jié)果較好地反映了烏魯木齊地區(qū)的土地利用類型動態(tài)變化情況。但本次模擬研究中未將地面塌陷區(qū)、未來政府的規(guī)劃意向等因素考慮在內(nèi)，模擬預(yù)測結(jié)果是基于烏魯木齊地區(qū)土地利用變化趨勢保持不變的前提下，模擬結(jié)果可能存在一定誤差，有待在今后實踐中進一步檢驗。